功率半導體元件：從基礎架構到應用選型，掌握現代電力設計核心元件

解析功率元件結構、機制與關鍵技術
從傳統元件到SiC、SPIC，新技術的演進與應用
技術演進×實例解析，一次掌握核心概念！

▎從基礎到進階，全面掌握功率元件
本書內容由淺入深，涵蓋功率二極體與開關元件的詳細運作機制，並輔以模擬分析與實際設計案例，有助讀者建立完整的知識架構。全書融合理論、實務與模擬，特別強化功率二極體的技術演進，並引入應用選型觀念，兼具學術性與實用性。

【功率元件世代演進與技術全覽】
第一部分首先概述功率半導體元件的歷史沿革與分類，從傳統閘流體、雙極型電晶體到現代主流元件如功率MOSFET與IGBT，逐一梳理其發展脈絡與技術演進。這部分不僅建立讀者對功率元件「大家族」的整體認知，更清楚點出不同元件之間的性能差異與應用取向。

【深入探討二極體技術與演進】
第二部分則專注於功率二極體，包括傳統的肖特基二極體（Schottky）與PiN二極體（PiN），進一步延伸至現代的先進結構，如結勢壘控制肖特基（JBS）、溝槽肖特基（TSBS）、MOS勢壘控制肖特基（TMBS）以及混合型PiN／肖特基結構（MPS）。透過模擬與實作案例，清楚描繪單極型與雙極型功率二極體在結構設計、漏電行為與效率表現上的關鍵技術細節。

【傳統與現代功率開關元件並陳】
第三部分聚焦於功率開關元件，從經典的閘流體（如SCR、GTO）延伸到現代的IGCT、MTO等衍生技術，再到主流的MOSFET與IGBT，提供讀者清晰的比較與應用場域分析。這部分強調元件在耐壓、開關速度與導通損耗上的特性權衡，並探討如何依照應用場景選擇最佳元件，對設計者極具參考價值。

▎應用導向設計思維與案例分析
第四部分透過脈波寬度調變（PWM）應用為例，說明如何依據系統開關頻率與元件耐壓等參數進行元件選擇與電路配置。強調「沒有完美的元件，只有最適合的選擇」這一核心設計理念。本書特別設計多個應用與設計實例，涵蓋元件特性模擬、驗證與實際電路設計流程，協助讀者將理論知識轉化為設計實務，建立整合性的設計思維。

➔強調新世代功率技術與趨勢
與傳統教材相比，本書在內容安排上更加強調先進元件技術，如超接面（Super Junction）MOSFET、CoolMOS、智慧功率積體電路（Smart Power IC, SPIC）與碳化矽（SiC）元件等現代化功率元件的特性與應用潛力，呼應當代電子系統小型化、高效能與高頻工作的技術趨勢。對於碳化矽功率元件的分析特別詳盡，為業界新興材料與技術的應用鋪路。


本書特色：本書系統介紹功率半導體元件的分類、原理、特性與應用，內容由淺入深，涵蓋功率二極體與開關元件的詳細運作機制，並輔以模擬與設計案例，有助讀者建立完整知識架構。全書融合理論、實務與模擬，特別強化功率二極體的技術演進，並引入應用選型觀念，適合教學與工程實務使用，兼具學術性與實用性。

關豔霞，資訊與工程相關系所副教授，長年投入於功率半導體與微電子領域的教學與研究。早年主修半導體物理與元件，博士階段專攻檢測技術與自動化相關領域。多年來講授功率半導體元件、微電子元件原理等核心課程。研究重點涵蓋元件製程、微結構設計與光電檢測技術，亦參與多項科學研究計畫。退休後仍積極參與積體電路人才培育與專業演講，持續投入半導體教育與推廣工作。

前言
第1章　緒論
第2章　單極型功率二極體
第3章　雙極型功率二極體
第4章　閘流體
第5章　現代功率半導體元件
第6章　功率半導體元件應用綜述

第1章　緒論
本章主要介紹功率半導體元件的定義、種類以及發展概況。
1.1　電力電子元件和電力電子學
電子技術包括資訊電子技術和電力電子技術，資訊電子技術包括類比電子技術和數位電子技術，用於資訊檢出、傳送和處理的低電平電路中。電力電子技術用於電力傳送、變換、控制或開關的高電平電路中。對於電力電子技術，轉換效率和散熱是必須考慮的問題。變換的功率可達MW，甚至GW。
電力電子電路中能實現電能變換和控制的元件，稱為電力電子元件，英文為Power Electronic Devices，又稱Power Semiconductor Devices，或簡稱為Power Devices，Power又可翻譯為功率，因此也稱功率元件。
電力電子技術與電力電子學之間的關係是工程技術領域和學術之間的關係，工程上稱為電力電子技術，學術上稱為電力電子學。1956年閘流體整流器（英文縮寫SCR，也稱可控矽）的發明是半導體元件由弱電跨入強電的里程碑。電力電子技術就是以閘流體為主體的功率（電力）半導體元件為核心部件，跨於電力、電子和控制三大領域的一門邊緣學科，可用如圖1.1所示的「倒三角」定義來說明。

1.2　功率半導體元件的定義
功率半導體元件就是能進行功率處理的半導體元件，早期的功率半導體元件，如大功率二極體、閘流體等主要應用於工業和電力系統，因此又稱為電力電子元件。典型的功率處理功能包括：變頻、變壓、變流、功率放大、功率管理等。隨著以功率MOS元件為代表的新型功率半導體元件的迅速發展，目前以電腦、通訊、消費類產品和汽車電子為代表的4C市場占據了三分之二的功率半導體應用市場。高壓橫向功率元件結構的改進又產生了單片功率積體電路市場。功率管理積體電路（Power Management IC，也稱為電源管理IC）成為目前功率半導體元件的焦點與快速發展領域。因此採用「功率半導體元件」這樣一個術語較「電力電子元件」更準確，更具時代意義。
電腦、通訊和汽車工業方面應用的功率半導體元件，其耐壓等級在200V以下；電動控制、機器人和動力分配方面應用的功率半導體元件，其耐壓等級超過200V。功率元件的應用是工作頻率的函式，如圖1.2所示。大功率系統（例如高壓直流輸電配電系統和機車驅動裝置）在相對低的頻率下進行兆瓦級功率控制。隨著工作頻率的增加，對於100W的典型微波元件，其額定功率有所降低。